逐年升高的活性氮（Nr）沉降可能會為高山生態(tài)系統(tǒng)帶來問題，其中氨的干沉降是一個關(guān)鍵因素。過去的許多研究表明，農(nóng)業(yè)活動引起的氨排放占全球氨排放總量很大的一部分。美國的許多國家公園雖然位于偏僻的郊區(qū)，卻不可避免的受到農(nóng)業(yè)氨排放的影響。了解氨排放熱點(diǎn)如何通過氨的干沉降影響下風(fēng)處的生態(tài)系統(tǒng)為有效緩解提供了機(jī)會。來自普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊使用了自主研制的開路式激光氨氣分析儀測量了美國洛基山國家公園高山草原生態(tài)系統(tǒng)的氨通量，并分析了來自科羅拉多州東北部農(nóng)業(yè)和城市來源的氨排放造成的影響。此項工作的成果發(fā)表于《Environmental Science & Technology》。

圖一 普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊利用開路氨分析儀進(jìn)行EC法氨通量測量

過去幾年中，面對微氣象法測量氨通量的需求，普林斯頓大學(xué)的Mark Zondlo教授團(tuán)隊自主研制了基于量子級聯(lián)激光光譜分析技術(shù)的開路大氣氨濃度分析儀，滿足渦動協(xié)方差（EC）方法中對儀器快速響應(yīng) (≥10 Hz) 和高精度的要求，克服閉路傳感器中因?yàn)榘钡奈胶驼硿詫?dǎo)致的高頻信號衰減問題。過去，研究組曾將該分析儀應(yīng)用于畜牧業(yè)氨排放測量和交通污染測量。本文描述的研究工作是研究團(tuán)隊將氨分析儀應(yīng)用于氨濃度特別低的場景中。作者通過模型的建立和原位測量，分析了來自氨排放熱點(diǎn)的區(qū)域傳輸背景下的EC通量。

2015和2016年夏季，研究團(tuán)隊選擇在美國洛基山國家公園的一處相對平坦的草原區(qū)，將開路式氨分析儀安裝在通量塔上，觀察到了清晨和傍晚至夜間凈氨通量表現(xiàn)為沉降，日間表現(xiàn)為氨排放，總體凈氨通量為負(fù)。而觀測數(shù)據(jù)中，早上在溫度沒有明顯升高時出現(xiàn)的氨排放，作者認(rèn)為這或許與露水蒸發(fā)有關(guān)，實(shí)際原因則需要更多的研究來證明。

圖二 研究團(tuán)隊獲得的典型氨通量日變化數(shù)據(jù)

在科羅拉多州東北部，丹佛大都會區(qū)（圖三中灰色框區(qū)域）的汽車尾氣和南普拉特河谷農(nóng)業(yè)區(qū)中的集中動物飼養(yǎng)場（Concentrated animal feeding operations, CAFO）（圖三中紅色框區(qū)域）是可能影響國家公園氨沉降的潛在源區(qū)。論文中描述研究人員將儀器安裝在車頂1.5m處進(jìn)行了移動氨濃度監(jiān)測，結(jié)果表明顯示農(nóng)業(yè)氨排放被輸送至高山地區(qū)。圖三c、d則顯示了機(jī)載氣體分析儀測得的高山區(qū)域三濃度垂直分布，可以看出高海拔區(qū)域在下午時比上午的氨濃度要高，這就是本次實(shí)驗(yàn)中觀測到的氨上行事件：當(dāng)天氣影響較弱時，白天地形加熱導(dǎo)致反向上坡流動，氨從草地和農(nóng)田排放熱點(diǎn)區(qū)域被運(yùn)送到地勢較高的地區(qū)進(jìn)而沉降。

圖三 科羅拉多州東北部氨濃度空間和垂直分布圖

此項研究中通過2015和2016年的氨通量測量，展示了研究團(tuán)隊開發(fā)的開路氨分析儀在偏遠(yuǎn)的野外地區(qū)測量氨通量的能力。研究人員將觀測到的氨通量按風(fēng)向分組，發(fā)現(xiàn)氨沉降通常與白天的東風(fēng)有關(guān)，表明氨排放熱點(diǎn)的影響很大。以2016年夏季為例，經(jīng)過農(nóng)業(yè)區(qū)熱點(diǎn)排放的氣團(tuán)導(dǎo)致的累積沉降占氨的干沉降總量40%以上。

作者在論文結(jié)論中表示，本次試驗(yàn)結(jié)果以洛基山國家公園為例，顯示高山生態(tài)系統(tǒng)如何受到氨排放熱點(diǎn)的影響。此項工作能為其他國家公園或自然保護(hù)區(qū)中的氨通量和潛在源觀測起到示范作用，并同時了說明控制農(nóng)業(yè)和城市氨排放可從源頭上減緩自然生態(tài)系統(tǒng)的氨沉降問題。

參考文獻(xiàn)：Da Pan, Katherine B. Benedict, Levi M. Golston, Rui Wang, Jeffrey L. Collett, Lei Tao, Kang Sun, Xuehui Guo, Jay Ham, Anthony J. Prenni, Bret A. Schichtel, Tomas Mikoviny, Markus Müller, Armin Wisthaler, and Mark A. Zondlo

Environmental Science & Technology 2021 55 (12), 7776-7785

DOI: 10.1021/acs.est.0c05749